郝志坤 溫世仁 吳春嬋 張正龍 楊 靜

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

功率是微波領(lǐng)域的基本參數(shù)之一，它表征了微波信源的傳輸特性。隨著電子通信、雷達(dá)探測(cè)和遙測(cè)遙感等技術(shù)的發(fā)展,微波功率的被測(cè)范圍已拓展至上百瓦，乃至上千瓦，這也使微波中大功率的測(cè)量十分必要。通常將(1～100)W的微波連續(xù)波功率稱為微波中功率，將大于100W的微波功率稱為大功率[1]。

常用的微波功率測(cè)量方法有級(jí)聯(lián)耦合法、量熱法、功率探測(cè)器法、聲電效應(yīng)測(cè)量大功率法和輻射壓力測(cè)量法等[2～6]。由于量熱法既有量熱計(jì)高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，又有熱敏電阻式功率計(jì)相應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量方便等特點(diǎn)，所以被廣泛采用，如德國(guó)PTB的功率基準(zhǔn)、美國(guó)的NIST的功率基準(zhǔn)等均采用量熱法[7～9]。因此，為了解決航天遙感遙測(cè)中微波中功率參數(shù)的測(cè)試和溯源需求，設(shè)計(jì)了一種基于量熱法原理的微波中功率校準(zhǔn)裝置，如圖1所示。

圖1 微波中功率校準(zhǔn)裝置Fig.1 Medium power microwave calibration device

2 量熱法原理

本文采用量熱法原理測(cè)量微波中功率信號(hào)，原理如下:首先依據(jù)量熱法原理，把微波功率量值的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)量熱介質(zhì)熱量的測(cè)量；然后在通過熱量等效原理，把對(duì)量熱介質(zhì)熱量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)直流功率的測(cè)量。

裝置選取水作為量熱介質(zhì)(吸收體)，并設(shè)計(jì)了微波功率負(fù)載作為電能與熱能轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換裝置。首先將直流功率P1接入微波功率負(fù)載，使電能轉(zhuǎn)換為熱能。微波功率負(fù)載對(duì)流經(jīng)負(fù)載的量熱介質(zhì)—冷卻循環(huán)液體(水)進(jìn)行加熱，冷卻水吸熱升溫。在量熱介質(zhì)(吸收體)溫度變化穩(wěn)定、達(dá)到熱平衡后，微波功率負(fù)載冷卻循環(huán)液體(水)的入口和出口處測(cè)溫傳感器1#和2#可以測(cè)出冷卻水經(jīng)過微波功率負(fù)載后的溫度變化量ΔT1，根據(jù)量熱法原理，吸收體吸收熱量Q1等于直流功率做功能量W1，按照公式(1)計(jì)算出cqVρ值

Q1=W1=P1t=cqVρΔT1t

(1)

式中：Q1——直流功率加熱冷卻循環(huán)液體(水)吸收熱量，J；W1——直流功率對(duì)冷卻循環(huán)液體(水)做功，J；P1——直流功率對(duì)冷卻循環(huán)液體(水)做功的功率，W；t——時(shí)間，s；c——冷卻液體的比熱容，J/g·K；qV——流量計(jì)測(cè)得冷卻液的體積流量，cm3/s；ρ——液體的密度，g/cm3；ΔT1——直流功率加熱造成測(cè)溫傳感器2#與測(cè)溫傳感器1#在負(fù)載出口和入口冷卻液所測(cè)溫度差，K。

然后斷開直流功率輸入，裝置靜置一段時(shí)間，再把待測(cè)試微波信號(hào)P2接入微波功率負(fù)載，使電能轉(zhuǎn)化為熱能，在同樣的環(huán)境和測(cè)試條件下，使冷卻循環(huán)液體(水)再次達(dá)到溫度穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。同理，按照公式(2)可計(jì)算出冷卻循環(huán)液體(水)所吸收熱量的大小，根據(jù)熱等效原理，Q1等于Q2，得出輸入量熱計(jì)的微波中功率的量值P2

Q2=W2=P2t=cqVρΔT2t

(2)

式中：Q2——微波功率加熱冷卻循環(huán)液體(水)吸收熱量，J；P2——待測(cè)微波功率，W；W2——微波功率對(duì)冷卻循環(huán)液體(水)做功，J；ΔT2——微波功率加熱造成測(cè)溫傳感器2#與測(cè)溫傳感器1#在負(fù)載出口和入口冷卻液所測(cè)溫度之差，K。

在此過程中，兩次加熱過程吸收體及外界環(huán)境條件幾乎一致，微波和直流信號(hào)在微波功率負(fù)載中電流分布不同導(dǎo)致的誤差很小,研究表明這項(xiàng)誤差小于0.01%[10]，因此通過量熱法把微波功率溯源到直流功率，以實(shí)現(xiàn)微波中功率的測(cè)量。

3 裝置組成

3.1 總體結(jié)構(gòu)

微波中功率校準(zhǔn)裝置，由直流功率校準(zhǔn)電源、微波中功率源、功率測(cè)量模塊、溫度傳感器、水循環(huán)系統(tǒng)、溫度及流量控制系統(tǒng)、控制處理軟件等部分組成，如圖2所示。

微波源和校準(zhǔn)電源通過同軸線導(dǎo)入功率測(cè)量模塊內(nèi)的50Ω阻性負(fù)載。水箱內(nèi)的水通過導(dǎo)管依次通過水泵、流量計(jì)、功率測(cè)量模塊，最后回流水箱。其中水泵提供壓力使水能夠通入流量計(jì)，流量計(jì)的控制閥使水流以固定的速率流動(dòng)。PC端通過USB端口連接兩溫度傳感器和流量計(jì)，以1Hz的頻率讀取溫度數(shù)據(jù)。然后在PC界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后以1Hz的頻率更新功率值。

3.2 功率測(cè)量模塊

功率測(cè)量模塊由水負(fù)載、液體通道、微波通道和絕熱外殼等部分組成，其中水負(fù)載是能量轉(zhuǎn)換核心器件。微波通過同軸波通道導(dǎo)通入水負(fù)載內(nèi)的50Ω阻性負(fù)載(校準(zhǔn)電源同樣通過同軸線將直流電流導(dǎo)入負(fù)載)，水流通過負(fù)載的液體通道流入流出，流量計(jì)的控制閥使水流以固定的速率流動(dòng)。當(dāng)有微波輸入負(fù)載時(shí)，液體入口和出口處便會(huì)形成溫度差，輸入功率恒定時(shí)一段時(shí)間過后這個(gè)溫度差也會(huì)穩(wěn)定下來，并可由此計(jì)算出輸入功率大小。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Framework map of system

3.2.1負(fù)載結(jié)構(gòu)

水負(fù)載結(jié)構(gòu)包括微波負(fù)載電路、液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道、液體通道接口、波導(dǎo)接口，絕熱裝置。其中絕熱裝置為盒子狀，將系統(tǒng)所有部分包裹在其中，并留出了液體通道接口與微波負(fù)載電路接口。微波負(fù)載電路為腔體結(jié)構(gòu)，腔體的一端接微波負(fù)載電路接口，微波負(fù)載電路緊貼液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道，液體通道接口接在液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道兩端使液體能夠流入與流出。

3.2.2微波通道

微波負(fù)載電路是由金屬腔體、傳輸線，衰減器、微波電阻組成的微波吸收電路。傳輸線為特性阻抗50Ω的微帶線，衰減器和微波電阻安裝在腔體內(nèi)部，腔體接地，微波信號(hào)由腔體入口通過傳輸線先進(jìn)入衰減器，然后通過傳輸線進(jìn)入微波電阻。具有在寬頻帶(0～3.5)GHz的低駐波比的特點(diǎn)，即只有極小部分微波能量被反射回去，保證微波能量被負(fù)載電路吸收并轉(zhuǎn)換為熱能

微波負(fù)載電路接口為同軸接口，用于連接微波負(fù)載電路與特定規(guī)格的同軸波導(dǎo)，保證微波能量的傳輸過程中盡量低的反射與損耗。

3.2.3液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道

液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道緊貼微波負(fù)載電路中產(chǎn)生熱量的部分，使液體媒介能夠均勻的在通道中流動(dòng)并吸收熱能，使系統(tǒng)在正常工作時(shí)能夠在液體通道的出入口形成穩(wěn)定的溫度差，其中液體媒介為水。

液體通道接口由液體入口與液體出口組成，其中液體入口盡量遠(yuǎn)離微波負(fù)載電路中產(chǎn)生熱量的部分，避免熱能通過液體或液體通道壁傳導(dǎo)到液體入口處。而液體出口盡量遠(yuǎn)離微波負(fù)載電路接口部分，避免熱能通過微波負(fù)載電路接口傳導(dǎo)到外界。

絕熱裝置為腔體結(jié)構(gòu)，由絕熱材料或者金屬真空工藝制成，將微波負(fù)載電路、液體循環(huán)與導(dǎo)熱通道包裹在其中并留出液體通道接口和微波負(fù)載電路接口能夠與外界相接，盡量保證微波負(fù)載電路產(chǎn)生的熱能不與外界進(jìn)行熱交換。

3.3 水循環(huán)與溫度流量控制系統(tǒng)

水循環(huán)系統(tǒng)采用封閉設(shè)計(jì)，包括水箱、水泵、流量計(jì)與控制器、溫度傳感器與溫度控制器等部分組成，通過多級(jí)控溫和高精度流量控制器，控制整個(gè)系統(tǒng)的溫度與流量平衡。起到提供測(cè)試穩(wěn)定性和測(cè)試條件作用。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與驗(yàn)證

微波中功率校準(zhǔn)裝置，由微波中功率量熱計(jì)、E8257D微波信號(hào)發(fā)生器、微波功率放大器等組成。本文通過對(duì)比微波中功率校準(zhǔn)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)與E4419B功率計(jì)、E9034A功率探頭和40dB衰減器組合衰減至微波小功率功率計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)比較，來驗(yàn)證裝置研制方法的可行性。

為驗(yàn)證微波中功率測(cè)量裝置的測(cè)量功能，本裝置選取了幾個(gè)典型的中功率值及不同頻段，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。微波功率的測(cè)量模型為

Pw=Pa+ΔPw

(3)

式中：Pw——被測(cè)試微波功率，W；Pa——測(cè)量裝置的功率示值，W；ΔPw——微波功率測(cè)量誤差，W；它主要由零位校準(zhǔn)、直流功率校準(zhǔn)、量熱計(jì)微波功率反射、溫度誤差以及系統(tǒng)熱損耗等引入。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、圖3和圖4所示，通過比較微波中功率校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Pa與E4419B功率計(jì)、E9034A功率探頭和40dB衰減器組合測(cè)量值的數(shù)據(jù)Pb比較，可以看出，二者數(shù)據(jù)相對(duì)差值約為2%，可以達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求，下一步將針對(duì)該微波中功率校準(zhǔn)裝置的測(cè)溫誤差、液體循環(huán)控溫精度、微波反射誤差、流量控制穩(wěn)定性和直流功率誤差等影響因此進(jìn)行改進(jìn)，以提高校準(zhǔn)裝置的測(cè)量精度。

表1 功率測(cè)試值Tab.1 Test value of power頻率功率(W)裝置測(cè)試值Pa(W)衰減器組合測(cè)量值Pb(W)10MHz109.249.38100MHz109.239.413.5GHz109.379.56800MHz5049.3249.893.5GHz10099.1399.76

圖4 裝置10W(10MHz)微波功率測(cè)試顯示界面Fig.4 10W(10MHz) microwave power test interface of the calibration device

5 結(jié)束語

針對(duì)微波中功率計(jì)量溯源問題，設(shè)計(jì)了一種基于量熱法原理的校準(zhǔn)裝置，并對(duì)微波中功率信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，通過與耦合衰減的微波小功率信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；也為進(jìn)一步評(píng)估微波中功率校準(zhǔn)裝置的測(cè)試精度，提供了依據(jù)。對(duì)微波中功率參數(shù)進(jìn)一步的研究提供了積累，對(duì)保障型號(hào)遙感遙測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)、評(píng)估其可靠性具有實(shí)際意義。下一步將針對(duì)溫度、反射率和零位誤差等因素開展研究，改進(jìn)裝置的穩(wěn)定性，提高校準(zhǔn)裝置的測(cè)量精度。